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Die
Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager, der aus gleichen
rechteckigen Wärmeübertragungsplatten
besteht, die einen über
ihrer Ebene schüsselförmig aufgestellten
Rand haben, zwischen zwei dickeren Endplatten gestapelt und miteinander
verlötet
sind und in den Eckbereichen Durchbrüche auf geprägten Kegelstümpfen aufweisen,
die um eine gemeinsame Achse Kanäle
einschließen
für die
Zu- und Abführung
eines Kältemittels
und eines zu kühlenden
Mediums.
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Derartige
Plattenwärmeübertrager
haben den Vorteil, daß ihre
Wärmeübertragungsplatten
mit nur einem Werkzeug hergestellt werden können und leicht zu montieren
sind, indem benachbarte Platten beim Stapeln zueinander in ihrer
Ebene um 180° gedreht
werden, bevor sie in einem Ofen verlötet werden. Aufgrund ihrer
kompakten Bauweise nehmen sie nur wenig Platz in Anspruch und haben
ein geringes Leistungsgewicht.
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Ihre
Wärmeübertragungsleistung
könnte noch
gesteigert werden, wenn es gelänge,
die Medienströme
gleichmäßig auf
die vom Verteilerkanal abzweigenden Fließspalte zu verteilen. Die Medienströme nehmen
aber mit jedem der nacheinander abzweigenden Fließspalte
ab und damit fällt
der Druck in den Fließspalten.
Während
der erste abzweigende Fließspalt
mit maximalem Volumenstrom und Druck beaufschlagt wird, erreicht
die danach abzweigenden Fließspalte
nur ein mit jedem Abzweig schwächer
gewordener Volumenstrom. Mit der Verringerung des Volumenstromes
und dem damit verbundenen Druckabfall verschlechtert sich die Wärmeübertragung.
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Besonders
negativ wirkt sich dies bei Einsatz eines Kältemittel aus. Infolge des
Druckabfalls verdampft ein Teil des Kältemittels bereits im Verteilerkanal.
Die flüssige
Phase des Kältemittels
staut am Ende des Verteilerkanals und läßt in diesem Bereich den Druck
ansteigen mit der Folge, daß die
gasförmige
Phase des Kältemittels
in den mittleren Teil des Verteilerkanals verdrängt wird und in die von hier
abzweigenden Fließspalte.
Da sie wesentlich weniger Wärme
aufnehmen kann als die flüssige
Phase, kann die theoretisch mögliche
Wärmeübertragung
nicht erreicht werden.
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Eine
gleichmäßigere Verteilung
des Kältemittels
auf die Fließspalte
läßt sich
nach der
DE 31 26 838
C1 durch einen Venturiverteiler erreichen, der das Kältemittel
in mehrere Teilströme
gleichen Druckes verzweigt. Jedoch ist die Anzahl der so erzeugten
Teilströme
begrenzt und reicht nicht aus, um die Vielzahl von Fließspalten
in einem Plattenwärmeübertrager
mit Kältemittel
gleichen Druckes zu versorgen. Versuche, den Venturiverteiler zu
verbessern, haben diesen Mangel nicht beheben können.
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Nach
der
DE 31 50 187 A1 werden
die Kanäle
für die
Teilströme
kostengünstig
im Spritzgießverfahren
in zwei Platten eingeformt.
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Aus
der
DE 33 11 579 C2 ist
ein Verteiler mit kreisförmigem
Querschnitt bekannt, in dem ein Profilkörper angeordnet ist, der den
Hohlraum in sechs wendelförmig
verlaufende Kanäle
unterteilt zur Aufnahme der Teilströme. In der
DE 42 12 721 A1 ist eine
einfachere Herstellung dieses Verteilers beschrieben.
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Um
zu erreichen, daß nur
flüssiges
Kältemittel
aus dem Verteiler strömt,
sieht die
DE 41 41
809 A1 einen sich vertikal erstreckenden Verteilerraum vor,
in dem das Kältemittel
von oben zugeführt
wird. Seine flüssige
Phase verdrängt
die gasförmige
in den oberen Bereich. Die Aufteilung auf die einzelnen Verdampferrohre
erfolgt nur aus dem unteren Verteilerraum mit flüssigem Kältemittel. Zwischen den nacheinander
vom Verteilerraum abzweigenden Verdampferrohren und dem Verteilerraum
ist jeweils eine Expansionsvorrichtung in Form eines drosselnden Rohrabschnittes,
ein sogenannter Orfice-Tubes, angeordnet. Der Druckabfall infolge
der nacheinander abzweigenden Verdampferrohre wird durch die drosselnden
Rohrab schnitte verringert, aber nicht egalisiert.
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Mit
dem durch das
DE 93
02 504 U1 bekannt gewordenen Kältemittelverteiler für einen
Verdampfer, bei dem vom Verteilerkanal nacheinander Nebenkanäle abgezweigt
werden, die mit ihren Mündungen
den Verteiler-Kanal
zunehmend verengen, und seine in
DE 4319192 A1 beschriebene Weiterentwicklung
wird keine Trennung der flüssigen
von der gasförmigen
Phase des Kältemittels
bewirkt. Die Bauweise erlaubt nur eine geringe Anzahl von Nebenkanälen und
ist schon aus diesem Grunde für
einen Plattenwärmeübertrager
nicht geeignet.
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Die
DE 44 22 178 A1 hat
einen Plattenwärmeübertrager
mit Kältemittelverteiler
zum Gegenstand. Um eine gleichmäßige Verteilung
des zweiphasigen Kältemittels
zu erreichen, wird im Vertreilerkanal zwischen dem Kältemitteleinlaß und den
abzweigenden Fließspalten
ein sich in Strömungsrichtung
verjüngender
Porenkörper
mit einer Vielzahl von Poren angeordnet, der von einem oder mehreren
horizontal angeordneten Hohlzylindern umgeben ist, die radiale Drosselöffnungen
im unteren Bereich der Zylinderwandungen aufweisen, die mit den
Fließspalten
fluchten. Durch diese Anordnung wird die flüssige Phase des Kältemittels,
die sich im unteren Teil der Zylinder ansammelt und von dort in
die Fließspalte
strömt,
von der gasförmigen
separiert. Dieser Kältemittelverteiler
ist jedoch sehr aufwendig und setzt einen Verteilerkanal mit großem Querschnitt
voraus. Die
DE 195
24 277 A1 zeigt einen Weg auf, die Gasbildung in einem
Fließspalt
eines Plattenwärmeübertragers
mit zweiphasigem Kältemittel
einzuschränken
und dadurch eine gleichmäßigere Duschströmung zu
erreichen. Zu diesem Zweck wird der Querschnitt eines Fließspaltes
zwischen den Wärmeübertragungsplatten
zwischen Zu- und Abführung des
Kältemittels
kontinuierlich oder stufenförmig
erweitert. Dabei wird der Druckabfall im Verteiler und die Bildung
unterschiedlicher Volumenströme
außer Betracht gelassen.
Eine solche Maßnahme
würde es erforderlich
machen, von der bewährten
Form der Wärmeübertragungsplatten
abzugehen, wodurch der Plattenwärmeübertrager
wesentlich teurer käme.
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In
der
DE 195 15 527
A1 wird beklagt, daß bei
den schon seit Jahrzehnten bekannten Plattenwärmeübertragern, die in großem Umfang
gefertigt wurden und werden, eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades bei
Verminderung der Entmischung der beiden Phasen des Kältemittels
nicht mehr gelungen ist. Es wird vorgeschlagen, das Kältemittel
in einem Venturiverteiler in fünf
bis sechs Teilströme
gleichen Druckes zu verzweigen und in Rohrleitungen zu separaten
Kammern zu führen,
von wo sie jeweils in zwei oder drei Fließspalte strömen, die mit jeder dieser Kammern
verbunden sind. Dabei soll in den Fließspalten ein annähernd gleicher
Druckabfall entstehen. Das Problem der ungleichen Verteilung von flüssiger und
gasförmiger
Phase des Kältemittels wird
versucht, durch den Einbau von stauenden und dosierenden Einrichtungen
im Verteiler zu lösen.
Für einen
Plattenwärmeübertrager
mit einer Vielzahl von Fließspalten
ist auch dieser Kältemittelverteiler
nicht geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Kältemittelverteiler
im Plattenwärmeübertrager
durch konstruktive Maßnahmen
so zu gestalten, daß sich
der Druckabfall im Verteilerkanal selbsttätig ausgleicht, die Bildung
der gasförmigen
Phase des Kältemittels im
Verteiler eingeschränkt
wird und in die vom Verteiler nacheinander abzweigenden Fließspalte
nur die flüssige
Phase des Kältemittels
eintritt. Die dadurch zu erreichende Erhöhung der Wärmeübertragung und damit des Wirkungsgrades
des Plattenwärmeübertragers
soll ohne wesentliche Veränderung
der Wärmeübertragungsplatten
und ihrer Montage erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Plattenwärmeübertrager
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Dralldüsen sind
in zahlreichen Formen bekannt, jedoch nicht für den Einsatz in Kältemittelverteilern
von Plattenwärmeübertragern.
Dafür sind
die bekannten Dralldüsen
aufgrund ihrer Bauweise ungeeignet. Sie haben grundsätzlich einen
kreisförmigen
Querschnitt, dessen Durchmesser um ein Vielfaches größer ist
als die Breite eines Fließspaltes
in einem Plattenwärmeübertrager.
Das gilt für
den Drallerzeuger nach der
DE
30 15 758 C2 , für
die Zerstäubungsdralldüse nach
der
DE 31 13 024 C ,
für die Dralldüse nach
der
DE 37 03 075 C2 ,
für die
Hochdruckzerstäuberdüse nach
EP 0 496 016 A1 ,
für die Dralldüse nach
EP 0 604 741 A2 wie
auch für
aus dem Stand der Technik bekannte Drallsprühdüsen zur Erzeugung eines Doppel-Sprühnebel-Kegels.
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Die
erfindungsgemäßen Dralldüsen bestehen
jeweils aus zwei drallerzeugenden Leiteinrichtungen und einer Düse, die
auf einem oder mehreren Ringen angeordnet sind. Die Ringe haben
eine gemeinsame Achse mit dem Verteilerkanal und sind miteinander
und mit den Platten verlötet,
die den jeweiligen Fließspalt
begrenzen.
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Die
Düse und
die drallerzeugenden Leiteinrichtungen werden vorzugsweise in zwei
gleiche Ringe eingeprägt,
die gegeneinander um 180° gedreht sind.
Dabei wird die Düse
in jeden Ring radial mit ihrem halbem Durchmesser eingeprägt. Im Inneren
eines jeden Ringes erweitert sich die Düse auf einem angeformten Kreisabschnitt
zur einen Seite ihrer Achse konisch. Diese Erweiterungen werden
zwischen zwei Ringen zu zwei drallerzeugenden Leiteinrichtungen,
die dem Düsenstrahl
zwei tangentiale Komponenten hinzufügen.
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Die
Abmessungen der beiden Ringe sind so gewählt, daß sie in die eingeprägten Hohlkegel
passen und an den sie einschließenden
Platten mit einem kreisförmigen
Flansch dicht anliegen. Der nicht ausgestanzte innere Kreisabschnitt erleichtert
das Stapeln der Platten mit den zwischen ihnen angeordneten Ringen
mittels eines abgeflachten Dornes, der in diese Ringe paßt, und
sichert die gewünschte
Lage der Düsen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, die Ringe mit halbem Düsendurchmesser und drallerzeugender Leiteinrichtung
auf einem inneren Kreisabschnitt in jede der Wärmeübertragungsplatten um zwei
Durchbrüche
einzuprägen,
die diagonal gegenüberliegen; und
zwar bei einem Durchbruch zur einen Seite und bei dem anderen Durchbruch
zur anderen Seite der Wärmeübertragungsplatte
bis zur Hälfte
der gewünschten
Fließspaltbreite.
Beim Stapeln der Platten werden sie gegeneinander in ihrer Ebene
um 180° gedreht,
wodurch die eingeprägten über der
Ebene der Platten erhabenen Ringe sich mit gemeinsamer Achse berühren und
später
verlötet
werden. Da für den
Verteilerkanal nur zwei dieser Prägungen benötigt werden, eine auf jeder
Platte, werden die beiden anderen Prägungen ausgestanzt bevor die
Platten montiert werden. Das hat den Vorteil, daß die Durchbrüche für die Zuführung des
zu kühlenden
Mediums zugunsten größerer Volumenströme vergrößert werden
können.
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Bei
dieser Art der Fertigung der erfindungsgemäßen Dralldüsen wird kein zusätzliches
Material und werden keine zusätzlichen
Teile eingesetzt. Die Dralldüsen
werden vom gleichen Werkzeug geprägt, mit der die Wärmeübertragungsplatten
hergestellt werden und im gleichen Arbeitsgang. Das Material für die nicht
benötigten
Prägungen
wäre ohnehin ausgestanzt
worden, so daß durch
sie kein zusätzlicher
Aufwand entsteht.
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Durch
die Anordnung des Verteilerkanals im unteren Bereich des Plattenwärmeübertragers
und der in ihm im spitzen Winkel radial nach unten geneigten Dralldüsen wird
nur die flüssige
Phase durch die Dralldüsen
in die Fließspalte
gepreßt.
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Der
Düsenstrahl
ist auf den mittleren Bereich des unteren Randes der Wärmeübertragungsplatte gerichtet
und nicht auf ihre Wärmeübertragungsflächen.
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Dadurch
wird verhindert, daß beim
Aufprall des Düsenstrahls
eine Versprödung
des Plattenmaterials oder eine Vereisung des zu kühlenden
Mediums entstehen kann. Die Ränder
der Platten haben keine Berührung
mit dem zu kühlenden
Medium. Überdies überlappen
sie sich und sind daher besonders stabil gegen Verformungen, Verspannungen oder
Beschädigungen
durch den Düsenstrahl.
Das flüssige
Kältemittel
wird in den Dralldüsen
in eine große
Zahl kleinster Mikrotröpfchen
zerstäubt,
wodurch sich seine Oberfläche
vervielfacht und die die Wärmeübertragung
zunimmt. Die Mikrotröpfchen
verdampfen infolge der aufgenommenen Wärme und werden dem Verdichter
zugeführt.
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Um
die Zerstäubung
durch eine größere Wucht
des Aufpralls des Düsenstrahls
zu erhöhen, kann
vor die Düse
auch ein Prallbock in die den Fließspalt begrenzenden Platten
eingefomt werden, der den Weg des Düsenstrahls bis zum Aufprall
verkürzt.
Der von zwei Platten eingeschlossene Hohlraum ist evakuiert. Im
Verteilerkanal gleicht sich der Druck über allen Fließkanälen aus,
weil die Dralldüsen
die Verteilung der flüssigen
Phase des Kältemittels
drosseln. Ein Druckanstieg wirkt der Verdampfung des Kältemittels
im Verteiler entgegen. Zugleich erhöht er die Geschwindigkeit der
Strömung
durch die Dralldüse,
ihren Drall und die damit verbundene Reibung. Dies führt zu einem
höheren
Druckabfall, wodurch der Volumenstrom wieder reduziert wird. So gleichen
die Dralldüsen
den Druck im Verteilerkanal selbsttätig aus und egalisieren die
Volumenströme durch
die Fließspalte.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert:
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In 1 sind
zwei benachbarte profilierte Wärmeübertragungsplatten 1,
die gegeneinander um 180° in
ihrer Ebene gedreht sind, und ein Schnitt AA durch die zusammengefügten Platten 1 mit
den zwischen ihnen eingeschlossenen Ringen 6a und 6b dargestellt,
der in 2 vergrößert gezeichnet
ist.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die zusammengefügten Ringe 6a und 6b sowie
einen Schnitt durch die in sie eingeformte Düse 5 mit den drallerzeugen den
Leiteinrichtungen 3 und 4.
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Der
Verteilerkanal 2 für
das Kältemittel
befindet sich im unteren Bereich des Plattenwärmeübertragers. Zwischen diesem
Verteilerkanal 2 und den von ihm abzweigenden Fließspalten
ist jeweils eine Dralldüse
angeordnet, die aus zwei drallerzeugenden Leiteinrichtungen 3 und 4 und
einer Düse 5 besteht,
die in die Ringe 6a und 6b eingeprägt sind.
Diese haben eine gemeinsame Achse mit dem Verteilerkanal 2.
Jeder Ring 6a und 6b hat einen angeformten umlaufenden
Flansch 7, mit dem die Ringe 6a und 6b zwischen
zwei benachbarte Platten 1 passen. Sie sind miteinander
und mit diesen Platten an den Flanschen 7 verlötet.
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Die
Düse 5 ist
in jeden der gleichen Ringe 6a und 6b radial mit
ihrem halben Durchmesser eingeformt. Zum Inneren der Ringe 6a und 6b erweitert sich
die Düse 5 einseitig
zu ihrer Achse konisch über den
Innenkreis hinaus auf dem Kreisabschnitt 8.
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Beim
Zusammenfügen
der Ringe 6a und 6b werden sie gegeneinander um
180° gedreht.
Mit einem in die Ringe passenden abgeflachten Dorn, der nicht dargestellt
ist, wird gesichert, daß die
Kreisabschnitte 8 übereinanderliegen
und die Düse 5 die
gewünschte
Ausrichtung erfährt.
Die Prägungen
ergänzen
sich beim Zusammenfügen
der Ringe 6a und 6b zur Düse 5 und zu den beiderseits
der Düse 5 eingeformten
drallerzeugenden Leiteinrichtungen 3 und 4.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung, die Druckverluste im Verteilerkanal auszugleichen,
die Bildung der gasförmigen
Phase des Kältemittels
im Verteiler einzuschränken
und nur flüssiges
Kältemittel
in die Fließspalte
eintreten zu lassen, wodurch eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades des
Plattenwärmeübertragers
erreicht wird, ist mit sehr einfachen Mitteln realisiert worden.
Dabei blieben die Vorteile des Plattenwärmeübertragers erhalten.